ES2340750A1 - Inductive sensor with galvanic insulation for the detection and measurement of high-frequency current pulses - Google Patents
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Abstract
Description
Sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia.Inductive sensor with galvanic isolation for the detection and measurement of high frequency current pulses.
La presente solicitud de Patente de Invención tiene por objeto, como su propio nombre indica, un sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia del tipo de los producidos en las máquinas o aparatos eléctricos.The present invention patent application aims, as its name implies, an inductive sensor with galvanic isolation for the detection and measurement of pulses of high frequency current of the type produced in the electrical machines or appliances
Más concretamente, el sensor inductivo de la invención tiene por objeto la detección y medida de descargas parciales producidas en los materiales aislantes y/o sistemas de aislamiento de máquinas y aparatos eléctricos, descargas que tienen la forma de pequeños arcos eléctricos y que son producidas debido a la rotura de las partes de menor rigidez dieléctrica de dichos aislamientos y que se traducen en pulsos de corriente de pequeña amplitud y duraciones muy cortas.More specifically, the inductive sensor of the invention aims at the detection and measurement of discharges partials produced in the insulating materials and / or systems of insulation of machines and electrical appliances, discharges that have the shape of small electric arcs and that are produced due to the breakage of the parts of lower dielectric strength of said insulations and that translate into small current pulses amplitude and very short durations.
En general, es sobradamente conocido el problema de la aparición de arcos eléctricos en las máquinas y aparatos eléctricos debidos a la rotura de las partes de menor rigidez dieléctrica de un sistema aislante, normalmente en aquellas en las que por la disposición geométrica de los elementos o por sus características dieléctricas, el campo eléctrico se intensifica.In general, the problem is well known of the appearance of electric arcs in machines and devices electrical due to the breakage of the less rigid parts dielectric of an insulating system, usually in those in that by the geometric arrangement of the elements or by their dielectric characteristics, the electric field intensifies.
Más concretamente, estas pequeñas descargas pueden ocurrir en diferentes partes del aislamiento eléctrico, como son las pequeñas vacuolas de aire que quedan dentro del mismo o la interfase externa entre el material aislante y otras partes metálicas del sistema, produciendo pequeñas carbonizaciones locales, arranque de material aislante, depósitos de carbonilla, etc. Estos fenómenos de electroerosión producen un crecimiento de las inclusiones de aire y acaban degenerando en un cortocircuito franco del aislamiento.More specifically, these small downloads they can occur in different parts of the electrical insulation, such as they are the small air vacuoles that remain within it or the external interface between the insulating material and other parts metallic system, producing small local carbonizations, start of insulating material, carbon deposits, etc. These EDM phenomena produce a growth of air inclusions and end up degenerating into a frank short of isolation.
Estas pequeñas descargas parciales, se producen también cuando en un sistema de aislamiento eléctrico compuesto por varias capas de materiales diferentes se producen perforaciones locales de uno de los elementos (normalmente el de menor rigidez dieléctrica) como consecuencia de la intensificación del campo eléctrico en el mismo, ya que los materiales con menor rigidez dieléctrica tienen por lo general una menor constante dieléctrica, y por tanto en ellos el campo eléctrico es más intenso que en los demás materiales. Estas descargas eléctricas implican movimientos de carga de decenas o cientos de picoculombios y presentan tiempos de duración extraordinariamente breves, del orden de algunos nanosegundos. Dado que la mayoría de los aislamientos eléctricos están formados por diversos materiales o por materiales no homogéneos, el fenómeno de las descargas parciales se presenta en mayor o menor medida en todos ellos.These small partial discharges occur also when in an electrical insulation system composed of several layers of different materials perforations occur premises of one of the elements (usually the least rigid dielectric) as a result of field intensification electric in it, since materials with less stiffness dielectric generally have a lower dielectric constant, and therefore in them the electric field is more intense than in the other materials These electric shocks involve movements of load of tens or hundreds of picoculombios and present times of extraordinarily short duration, on the order of some nanoseconds Since most electrical insulations they are formed by various materials or by non-material homogeneous, the phenomenon of partial discharges is presented in greater or lesser extent in all of them.
Sin embargo, aunque perjudiciales e inevitables, estas descargas parciales constituyen una muy buena información para realizar una estimación acerca del grado de envejecimiento del sistema aislante de una máquina o aparato eléctrico, información que se extrae del número, amplitud y fase respecto del ciclo básico de tensión de red de 50 ó 60 Hz de dichas descargas parciales.However, although harmful and unavoidable, these partial downloads are very good information for estimate the degree of aging of the insulating system of an electrical machine or apparatus, information that it is extracted from the number, amplitude and phase with respect to the basic cycle of mains voltage of 50 or 60 Hz of said partial discharges.
Así, se hace necesaria la medida y detección de este tipo de descargas para obtener información valiosa de cara a realizar un mantenimiento predictivo efectivo en ciertas máquinas y aparatos eléctricos.Thus, the measurement and detection of this type of downloads to obtain valuable information for perform effective predictive maintenance on certain machines and electric appliances.
Para ello, y según la figura 1 que muestra el estado de la técnica actual, son conocidos procedimientos de medida y detección de descargas parciales basados en la conexión en paralelo con el elemento aislante del objeto de ensayo (1) de un condensador de acoplamiento (2) para proporcionar un camino de cierre para estos pulsos de corriente, que se detectan como caída de tensión en una impedancia (3) conectada en serie en dicho circuito.To do this, and according to Figure 1 which shows the Current state of the art, measurement procedures are known and detection of partial discharges based on connection in parallel with the insulating element of the test object (1) of a coupling capacitor (2) to provide a path of closure for these current pulses, which are detected as a drop in voltage at an impedance (3) connected in series in said circuit.
En dicha figura también se muestra un sistema de medida de descargas parciales (4) formado por un dispositivo que se encarga de registrar cada evento de descarga parcial que se produce en la muestra, cuantificar la carga aparente correspondiente a cada uno de ellos mediante integración de la corriente y determinar el instante en que se produce dentro del ciclo básico de tensión alterna mediante su ángulo de fase relativo. El análisis que relaciona el número de descargas parciales, su carga aparente y su posición respecto del ciclo de tensión alterna constituye el análisis clásico de descargas parciales (PRPDA, "Phase-Resolved Partial Discharge Analysis").This figure also shows a partial discharge measurement system (4) formed by a device that is responsible for recording each partial discharge event that occurs in the sample, quantifying the apparent load corresponding to each of them by integrating the current and determine the moment in which it occurs within the basic alternating voltage cycle through its relative phase angle. The analysis that relates the number of partial discharges, their apparent load and their position with respect to the alternating voltage cycle constitutes the classical analysis of partial discharges (PRPDA, " Phase-Resolved Partial Discharge Analysis ").
Sin embargo, este montaje supone una conexión directa o contacto galvánico entre el circuito principal y el circuito de medida que sólo se puede evitar mediante procedimientos muy costosos, como por ejemplo mediante acoplamientos de fibra óptica.However, this assembly assumes a connection direct or galvanic contact between the main circuit and the measurement circuit that can only be avoided by procedures very expensive, such as through fiber couplings optics.
Este montaje, además de los inconvenientes que suponen la no existencia de aislamiento galvánico, es muy sensible al ruido electromagnético, especialmente para descargas parciales de pequeña amplitud. La solución clásica utilizada en laboratorios para paliar estos inconvenientes implica utilizar medidas de apantallamiento electromagnético muy importantes o la conexión de antenas para compensar el ruido electromagnético captado por el sistema de medida. Todo ello resulta en un sistema de medida muy complicado y que requiere ajustes "ad hoc" en cada caso.This assembly, in addition to the inconvenience of the non-existence of galvanic isolation, is very sensitive to electromagnetic noise, especially for partial discharges of small amplitude. The classic solution used in laboratories to overcome these problems involves using very important electromagnetic shielding measures or connecting antennas to compensate for the electromagnetic noise captured by the measurement system. All this results in a very complicated measurement system that requires " ad hoc " adjustments in each case.
Este sistema de detección, en su versión más clásica, cuenta también con la desventaja de presentar un ancho de banda limitado, típicamente de unos cientos de KHz., lo que se traduce en que lo que se mide no es la forma directa del pulso de corriente, sino sólo la carga eléctrica aparente puesta en juego, junto con el número de descargas y la fase. Sin embargo, esta información, aún siendo suficiente para el análisis clásico de descargas parciales (PRPDA), no basta cuando se quiere evaluar la evolución temporal de dichos pulsos de corriente, los cuales aportan información muy relevante sobre el grado de degradación del aislamiento de cara a realizar el mantenimiento predictivo.This detection system, in its most classic, it also has the disadvantage of presenting a width of limited band, typically a few hundred KHz., which is translates into that what is measured is not the direct form of the pulse of current, but only the apparent electrical charge put into play, along with the number of downloads and the phase. However, this information, still being sufficient for the classical analysis of partial discharges (PRPDA), it is not enough when you want to evaluate the temporal evolution of said current pulses, which provide very relevant information on the degree of degradation of isolation in order to perform predictive maintenance.
Con objeto de obtener una mejor respuesta en términos de ancho de banda y evitar el contacto galvánico, existen también montajes mediante transformadores de intensidad de muy alta frecuencia (5) como el mostrado en la figura 2, en la cual se puede apreciar el montaje de conexión en paralelo con el elemento aislante del objeto de ensayo (1) de un condensador de acoplamiento (2) para proporcionar un camino de cierre para estos pulsos de corriente.In order to get a better response in terms of bandwidth and avoid galvanic contact, there are also assemblies using very high intensity transformers frequency (5) as shown in figure 2, in which you can appreciate the connection assembly in parallel with the insulating element of the test object (1) of a coupling capacitor (2) for provide a closing path for these current pulses.
En este caso, si bien el ancho de banda permite obtener una respuesta en forma directa del pulso de corriente para ser entregada a un osciloscopio (6), el inconveniente estriba, por un lado, en el excesivo volumen del sensor, lo que dificulta su ubicación e integración en el propio equipo que forma el objeto de ensayo (1), así como el excesivo coste, que está directamente ligado con el de la ferrita necesaria para constituir el núcleo que tiene que dar respuesta para las elevadas frecuencias de este tipo de fenómenos.In this case, although the bandwidth allows get a direct response of the current pulse to be delivered to an oscilloscope (6), the inconvenience is, by one side, in the excessive volume of the sensor, which hinders its location and integration in the own equipment that forms the object of test (1), as well as the excessive cost, which is directly linked with that of the ferrite necessary to constitute the core that has to respond to the high frequencies of this type of phenomena
El sensor inductivo con aislamiento galvánico para la detección y medida de pulsos de corriente de alta frecuencia que la presente invención propone soluciona los inconvenientes antes señalados, pues permite la detección directa de estos pulsos sin contacto galvánico directo, con respuesta absolutamente lineal, alta inmunidad al ruido electromagnético y mediante un dispositivo de coste extraordinariamente bajo, constituyéndose así, en una alternativa efectiva y económica.The inductive sensor with galvanic isolation for the detection and measurement of high frequency current pulses that the present invention proposes solves the drawbacks before indicated, because it allows the direct detection of these pulses without direct galvanic contact, with absolutely linear, high response immunity to electromagnetic noise and through a device extraordinarily low cost, thus becoming a effective and economical alternative.
El sensor inductivo de la invención permite además una obtención precisa y con la suficiente resolución temporal como para reproducir la forma instantánea del pulso de corriente de cada descarga parcial en el tiempo, posibilitando el análisis de la evolución temporal de la forma del pulso de corriente de cada descarga parcial, indicador del tipo de degradación del aislamiento.The inductive sensor of the invention allows also an accurate and sufficiently timely resolution as to reproduce the instantaneous form of the current pulse of each partial discharge over time, allowing the analysis of the temporal evolution of the current pulse shape of each partial discharge, indicator of the degradation type of the isolation.
Por otro lado, el bajo coste y volumen del sensor inductivo de la invención permite que éste se pueda incorporar o embeber dentro de la máquina o aparato eléctrico, de forma que basta con dotarle de medios para la conexión a un dispositivo de medida (osciloscopio digital, registrador de alta frecuencia, etc.); o en su caso, un mínimo de elementos externos (un condensador de acoplamiento) para poder realizar medidas de la actividad de descargas parciales en campo sin necesidad de desmontar o desconectar la máquina o aparato eléctrico en estudio.On the other hand, the low cost and volume of inductive sensor of the invention allows it to be incorporate or embed inside the machine or electrical appliance, of so that it is enough to provide it with means to connect to a measuring device (digital oscilloscope, high recorder frequency, etc.); or where appropriate, a minimum of external elements (a coupling capacitor) to be able to make measurements of the partial discharge activity in the field without the need to disassemble or disconnect the machine or electrical device under study.
Así, dicha incorporación del sensor a la máquina o aparato eléctrico, podría hacerse permanente si fuese necesario registrar la actividad de las descargas parciales para realizar medidas continuas de monitorización con el equipo en servicio durante un período prolongado, lo cual redunda en un mejor conocimiento del estado del aislamiento de la máquina eléctrica o cable aislado, permitiendo una política de mantenimiento predictivo mucho más adecuada de cara a evitar los elevados costes que suponen la interrupción de servicio en caso de aparición súbita de un cortocircuito franco.Thus, said incorporation of the sensor into the machine or electrical appliance, could be made permanent if necessary record the activity of partial downloads to perform continuous monitoring measures with the equipment in service for a prolonged period, which results in better knowledge of the insulation status of the electric machine or insulated cable, allowing a predictive maintenance policy much more adequate in order to avoid the high costs involved the interruption of service in case of sudden appearance of a candid short.
Concretamente, el sensor inductivo de la invención comprende al menos una espira plana dispuesta en un plano radial respecto del eje constituido por el conductor primario rectilíneo, que puede estar constituido por una pista conductora o por el propio cable de alimentación del equipo objeto de ensayo.Specifically, the inductive sensor of the invention comprises at least one flat loop arranged in a plane radial with respect to the axis constituted by the primary conductor rectilinear, which may be constituted by a conductive track or by the power cable of the equipment under test.
Se logra así un acoplamiento inductivo, pues las variaciones muy rápidas de corriente en el conductor primario, constituidas por los pulsos de alta frecuencia, crean un campo magnético de la misma frecuencia y de forma circunferencial en el plano perpendicular al conductor primario, cuyas variaciones respecto del tiempo inducen una tensión en la espira o espiras del sensor.An inductive coupling is thus achieved, since the very fast variations of current in the primary conductor, constituted by high frequency pulses, they create a field magnetic of the same frequency and circumferentially in the plane perpendicular to the primary conductor, whose variations with respect to time they induce a tension in the turn or turns of the sensor.
La señal de salida de este sensor es por tanto la derivada de la corriente primaria, según la conocida ecuación:The output signal of this sensor is therefore the derivative of the primary current, according to the known equation:
u (t) = M di / dtu (t) = M di / dt
donde M es la inductancia mutua entre ese conductor primario y las espiras del sensor, de donde se deduce que la respuesta de dicho sensor es absolutamente lineal, ideal para el estudio deseado tal y como antes se especificó.where M is the mutual inductance between that primary conductor and the turns of the sensor, where deduces that the response of said sensor is absolutely linear, ideal for the desired study as before specific.
Por otro lado, al estar dicha espira o espiras aisladas galvánicamente del circuito principal, también lo estarán el resto de los elementos de medida que son susceptibles de conectarse a ella o ellas, eliminando los inconvenientes también antes señalados.On the other hand, when said loop or turns are galvanically isolated from the main circuit, they will also be the rest of the measurement elements that are susceptible to connect to her or them, eliminating inconvenience too noted above.
Así, las variables eléctricas de la sonda dependerán de tres aspectos geométricos constructivos como son su longitud, la anchura de la espira y la separación a la cual se coloca del conductor objeto de medida. Es decir, modificando su geometría en el proceso de diseño, el sensor podrá adaptarse para la medida de corrientes en bandas de frecuencias diferentes y con sensibilidades diferentes, pues dichas modificaciones influyen tanto en la inductancia total como en la capacidad existente entre los conductores que forman la espira, la cual es inherente a la construcción geométrica. Ambas, la inductancia y la capacidad pueden cambiarse cambiando la forma y en consecuencia, la banda de frecuencias de funcionamiento.Thus, the electrical variables of the probe they will depend on three constructive geometric aspects such as their length, width of the loop and the separation at which position of the driver subject to measurement. That is, modifying your geometry in the design process, the sensor can be adapted for measurement of currents in different frequency bands and with different sensitivities, since these modifications influence both in total inductance as in the existing capacity between conductors that form the loop, which is inherent in the geometric construction Both inductance and capacity can change by changing the shape and consequently the band of operating frequencies
Más concretamente, la respuesta en frecuencia del sensor depende tanto de la longitud de cada uno de sus lados como de la separación entre ellos, por lo que ajustando dichos parámetros se ajusta también la banda de frecuencias en la que se quiere que trabaje el sensor.More specifically, the frequency response of the sensor depends so much on the length of each of its sides as of the separation between them, so adjusting those parameters also adjusts the frequency band in which He wants the sensor to work.
Por otro lado, dado que la tensión inducida en la espira depende de la inductancia mutua M, que es del orden de nH y de la derivada de la intensidad que circula por el conductor principal, señales de frecuencias bajas, como por ejemplo, las de red (50/60 Hz), tendrán una derivada temporal muy pequeña e inducirán tensiones en la espira despreciables independientemente de su forma. Por lo tanto, el sensor, por su propia naturaleza, filtra el harmónico principal y los harmónicos de la frecuencia de red.On the other hand, since the induced voltage in the loop depends on the mutual inductance M, which is of the order of nH and of the derivative of the intensity that circulates through the conductor main, low frequency signals, such as those of network (50/60 Hz), will have a very small temporary derivative and they will induce negligible spiral voltages regardless of its way. Therefore, the sensor, by its very nature, filters the main harmonic and the harmonics of the network frequency.
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Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to an example preferred practical implementation of it, is accompanied as integral part of said description a set of drawings where with an illustrative and non-limiting nature, what has been represented next:
Figura 1.- Muestra un diagrama o circuito esquemático del sistema clásico de ensayo mediante una impedancia de medida.Figure 1.- Shows a diagram or circuit schematic of the classical test system by means of an impedance of measure.
Figura 2.- Muestra, de forma también esquemática, según el estado de la técnica existente, de un esquema de conexión cuando se utiliza un transformador de corriente de alta frecuencia en lugar de una impedancia de medida.Figure 2.- Sample, also form schematic, according to the state of the existing technique, of a scheme connection when using a high current transformer frequency instead of a measurement impedance.
Figura 3.- Muestra un esquema de conexión según una posible realización práctica de la invención, para medidas con condensador de acoplamiento.Figure 3.- Shows a connection scheme according to a possible practical embodiment of the invention, for measurements with coupling capacitor
Figura 4.- Muestra otra realización práctica del sensor de la invención para medidas con acoplamiento directo del sensor sobre el conductor principal de alimentación del equipo bajo ensayo.Figure 4.- Shows another practical embodiment of the sensor of the invention for measurements with direct coupling of the sensor on the main power supply conductor of the low equipment test.
Figura 5.- Muestra una posible realización práctica del sensor de la invención, materializado en una única espira rectangular.Figure 5.- Shows a possible embodiment practice of the sensor of the invention, embodied in a single rectangular loop
Figura 6.- Muestra una posible realización práctica del sensor de la figura anterior la cual se cierra por medio de una resistencia, permitiendo la integración directa de la señal de intensidad.Figure 6.- Shows a possible embodiment practice of the sensor of the previous figure which is closed by medium of a resistance, allowing the direct integration of the intensity signal
Figura 7.- Muestra una posible realización práctica del sensor de la invención materializado en una doble espira, dispuesto sobre una placa de circuito impreso.Figure 7.- Shows a possible embodiment practice of the sensor of the invention materialized in a double spiral, arranged on a printed circuit board.
Figura 8a.- Muestra una posible realización práctica del sensor de la invención similar al de la Figura 7 pero en la que dicho sensor cuenta con medios para utilizar una sola de las dos espiras.Figure 8a.- Shows a possible embodiment practice of the sensor of the invention similar to that of Figure 7 but wherein said sensor has means to use only one of The two turns.
Figura 8b.- Muestra una posible realización práctica del sensor de la invención similar al de la Figura 7 y 8 pero en la que dicho sensor cuenta con medios para utilizar las dos espiras.Figure 8b.- Shows a possible embodiment practice of the sensor of the invention similar to that of Figure 7 and 8 but in which said sensor has means to use both you turn
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En las figuras 3 y 4 puede observarse cómo el sensor inductivo de la invención es susceptible de emplearse para la medida de los pulsos de corriente de un objeto de ensayo (1), bien a través de un condensador de acoplamiento (2) en la figura 3, o bien directamente sin necesidad de dicho condensador, según la figura 4.In figures 3 and 4 it can be seen how the Inductive sensor of the invention is capable of being used for measurement of the current pulses of a test object (1), either through a coupling capacitor (2) in figure 3, or directly without the need for said capacitor, according to the figure Four.
En ambos casos dicho sensor inductivo, por lo anteriormente expuesto, permite obtener una respuesta en forma directa del pulso de corriente para ser entregada a un osciloscopio (6), también representado.In both cases said inductive sensor, so previously exposed, allows to obtain an answer in form Direct current pulse to be delivered to an oscilloscope (6), also represented.
Dicho sensor, según una realización preferente mostrada en la figura 5, comprende una espira plana (7) dispuesta en un plano radial respecto del eje constituido por el conductor primario rectilíneo (8) a través del cual circulan los pulsos de corriente de alta frecuencia a medir.Said sensor, according to a preferred embodiment shown in figure 5, comprises a flat loop (7) arranged in a radial plane with respect to the axis constituted by the conductor rectilinear primary (8) through which the pulses of High frequency current to be measured.
Dado que tanto la respuesta a las diferentes frecuencias como la sensibilidad del sensor están definidas por la longitud de la espira (7), su anchura y su separación respecto al conductor primario rectilíneo (8), podrán escogerse diferentes formas para dicha espira (7) para adaptar el sensor de la invención a la medida de corrientes en bandas de frecuencias diferentes y con sensibilidades diferentes.Since both the response to the different frequencies such as sensor sensitivity are defined by the length of the loop (7), its width and its separation from the rectilinear primary conductor (8), different may be chosen forms for said loop (7) to adapt the sensor of the invention tailored to currents in different frequency bands and with different sensitivities
Según una posible realización de la invención, mostrada en dicha figura 5, la espira (7) adopta una forma rectangular de vértices redondeados para evitar las radiaciones electromagnéticas. Esta forma rectangular ofrece ventajas sobre otras posibles geometrías como son:According to a possible embodiment of the invention, shown in said figure 5, the spiral (7) takes a form rectangular rounded vertices to avoid radiation electromagnetic This rectangular shape offers advantages over Other possible geometries such as:
- --
- la homogeneidad de su área optimiza la distribución del campo eléctrico y facilita el cálculo del circuito equivalente;the homogeneity of its area optimizes the distribution of the electric field and facilitates the calculation of the equivalent circuit;
- --
- su particular forma permite que uno de sus lados largos (9) pueda seguir el camino del conductor primario rectilíneo (8) paralela y cercanamente optimizando así la inductancia mutua M y en consecuencia la sensibilidad.its particular shape allows one of its long sides (9) to follow the path of the parallel rectilinear primary conductor (8) and closely optimizing the mutual inductance M and in Sensitivity consequence.
Por todo lo cual, se ha comprobado experimentalmente que ofrece una respuesta óptima en términos de sensibilidad, calculada fácilmente a partir de los tres parámetros fundamentales como son la longitud total de la espira, las longitudes de sus lados largos (9) y cortos (10) que, en el caso de una espira rectangular, definen su área y la separación (11) de dicho lado largo al conductor primario rectilíneo (8).For all of which, it has been proven experimentally that offers an optimal response in terms of sensitivity, easily calculated from the three parameters fundamental as are the total length of the loop, the lengths of its long (9) and short (10) sides which, in the case of a rectangular spiral, define its area and the separation (11) of said long side to the rectilinear primary conductor (8).
Variando por lo tanto estos parámetros se podrán variar las variables eléctricas de la sonda de la invención, o lo que es lo mismo, modificando su geometría el sensor podrá adaptarse para la medida de corrientes en bandas de frecuencias diferentes y con sensibilidades diferentes, pues dichas modificaciones influyen tanto en la inductancia total como en la capacidad existente entre los conductores que forman la espira (7).Varying therefore these parameters can be vary the electrical variables of the probe of the invention, or what which is the same, modifying its geometry the sensor can adapt for measuring currents in different frequency bands and with different sensitivities, since these modifications influence both in total inductance and in the capacity between the conductors that form the loop (7).
Así, para una posible realización concreta de la invención, y de cara a poder estudiar el comportamiento del sensor basado en un modelo eléctrico parametrizable de parámetros concentrados, se elige un tamaño de espira de longitud aproximada a una décima parte de la longitud de onda de la señal que, asumiendo una frecuencia máxima de 100 MHz, se sitúa en 3 m, por lo que la longitud de dicha espira (7) será de, aproximadamente, 0,3 m.Thus, for a possible concrete realization of the invention, and in order to study the behavior of the sensor based on a parameterizable electrical model of parameters concentrated, a spiral size of approximate length is chosen one tenth of the wavelength of the signal that, assuming a maximum frequency of 100 MHz is 3 m, so the length of said loop (7) will be approximately 0.3 m.
Por lo tanto, según la realización práctica de la figura 5 antes mencionada, y utilizando la restricción de longitud expuesta, una posible realización práctica de la espira (7) sería aquella en la que, por ejemplo, los lados largos (9) de la espira (7) midiesen 0,12 m cada uno, mientras que los lados cortos (10) de la espira (7) midiesen 0,09 m cada uno, haciendo una longitud total de 0,258 m.Therefore, according to the practical realization of Figure 5 above, and using the restriction of exposed length, a possible practical realization of the loop (7) it would be one in which, for example, the long sides (9) of the spiral (7) measured 0.12 m each, while the short sides (10) of the loop (7) measured 0.09 m each, making a total length of 0.258 m.
Para otras posibles realizaciones en las que la longitud de la espira (7) fuera del orden o mayor que la longitud de onda de la señal a medir, el cálculo del circuito equivalente debe de estar basado en parámetros distribuidos, lo que supone un estudio teórico más complejo del comportamiento en frecuencia y la optimización de la geometría de la espira (7) para maximizar la sensibilidad y modificar el ancho de banda.For other possible embodiments in which the length of the loop (7) out of order or greater than the length of signal wave to be measured, the equivalent circuit calculation must of being based on distributed parameters, which is a study more complex theoretical behavior in frequency and the optimization of the spiral geometry (7) to maximize the sensitivity and modify bandwidth.
Según además otra posible realización práctica, observable en la figura 6, la espira (7) del sensor de la invención se encuentra cerrada a través de una resistencia (12) no inductiva de pequeño valor de forma que la caída de tensión que se produce en ella es directamente proporcional a la forma del pulso de corriente del primario, es decir, que el propio elemento sensor lleva a cabo la integración en el tiempo de la tensión inducida en las espiras, caída de tensión la cual puede llevarse a un conector coaxial al cual se puede conectar un equipo de medida electrónico de gran ancho de banda para registrar y analizar la señal recogida por el sensor.According to another possible practical embodiment, observable in figure 6, the loop (7) of the sensor of the invention It is closed through a non-inductive resistor (12) of small value so that the voltage drop that occurs in she is directly proportional to the shape of the current pulse of the primary, that is, that the sensor element itself performs the integration in time of the induced tension in the turns, voltage drop which can be carried to a coaxial connector at which can be connected to a large electronic measuring device band to record and analyze the signal collected by the sensor.
En el caso en el que se desee aumentar la sensibilidad, según una posible realización alternativa, se dispondrían varias espiras (7) en diferentes planos radiales, conectando dichas espiras (7) en paralelo con la resistencia (12).In the case where you want to increase the sensitivity, according to a possible alternative embodiment, is they would have several turns (7) in different radial planes, connecting said turns (7) in parallel with the resistor (12).
Igualmente, al condensador de acoplamiento (2) de la figura 3 se le puede añadir un segundo condensador en serie, no representado, a cuya salida se recoge una señal directamente proporcional a la tensión instantánea aplicada al aislamiento de la máquina o aparato eléctrico sobre el que se están efectuando las medidas. Dicha señal sirve para determinar la fase del ciclo básico de tensión de red en la que se produce cada uno de los pulsos de descarga parcial detectados por el sensor, para permitir un análisis de la actividad de Descargas Parciales según la Norma CEI 270.Likewise, to the coupling capacitor (2) from figure 3 you can add a second capacitor in series, not shown, at whose output a signal is collected directly proportional to the instantaneous voltage applied to the insulation of the machine or electrical device on which the measurements. This signal is used to determine the phase of the basic cycle of mains voltage in which each of the pulses of partial discharge detected by the sensor, to allow analysis of the activity of Partial Downloads according to IEC Standard 270.
En las figuras 7, 8a y 8b se muestra una posible realización en donde el sensor de la invención se materializa sobre una placa de circuito impreso (13) por la que se hace pasar el conductor primario rectilíneo (8), y situada sobre él, en la misma placa, es decir, sobre el mismo plano, al menos una espira (7), que según el ejemplo de realización de dichas figuras adopta una forma rectangular de vértices redondeados.In Figures 7, 8a and 8b a possible embodiment where the sensor of the invention materializes on a printed circuit board (13) through which the rectilinear primary conductor (8), and located on it, in it plate, that is, on the same plane, at least one turn (7), which according to the embodiment of said figures, it takes a form rectangular rounded vertices.
Dicha placa de circuito impreso (13) comprende a su vez medios de conexión (14) para acoplar, por ejemplo, un conector coaxial al cual se puede conectar un equipo de medida electrónico de gran ancho de banda para registrar y analizar la señal recogida por el sensor. Esta señal será, por lo tanto, la derivada temporal de señal correspondiente al pulso de corriente multiplicada por una constante, que es la sensibilidad del sensor.Said printed circuit board (13) comprises in turn connection means (14) for coupling, for example, a coaxial connector to which a measuring device can be connected high bandwidth electronic to record and analyze the signal collected by the sensor. This signal will therefore be the temporal derivative of signal corresponding to the current pulse multiplied by a constant, which is the sensitivity of the sensor.
Según otra posible realización de la invención no representada, el sensor puede contar, integrado o no en la misma placa, con un amplificador-integrador de muy alta frecuencia alimentado por baterías, que reproduce directamente a su salida la señal de corriente del circuito primario, estando conectada la salida de dicho amplificador-integrador a los medios de conexión (14) a los cuales luego será susceptible de conectarse un equipo de medida electrónico de gran ancho de banda para registrar y analizar la señal recogida por el sensor.According to another possible embodiment of the invention not represented, the sensor can count, integrated or not in it plate, with a very high amplifier-integrator battery powered frequency, which plays directly to your output the current signal of the primary circuit, being connected the output of said amplifier-integrator to the connection means (14) to which it will then be susceptible to connect a large bandwidth electronic measurement device to record and analyze the signal collected by the sensor.
En dicha realización, el amplificador es además susceptible de incorporar conexiones externas mediante las cuales programar de forma remota la ganancia del mismo y por tanto la sensibilidad del sensor para optimizar la relación señal/ruido obtenida a su salida en función de las características de amplitud, duración y tiempos de subida y bajada de los pulsos de descargas parciales, en función del tipo de máquina o aparato eléctrico sobre el que se estén efectuando las medidas.In said embodiment, the amplifier is also capable of incorporating external connections through which remotely program its gain and therefore the sensor sensitivity to optimize the signal / noise ratio obtained at its output based on the amplitude characteristics, duration and time of rise and fall of the discharge pulses partial, depending on the type of machine or electrical appliance on that the measurements are being made.
En cuanto a la incorporación del propio sensor a la máquina o aparato eléctrico objeto de ensayo (1), ésta puede hacerse bien a través de conectores externos o bien dicho sensor puede estar incorporado, de forma permanente al mismo a través de medios fijos (15) de forma que pueda monitorizarse dicho aparato durante un período prolongado.As for the incorporation of the sensor itself to the electrical machine or apparatus tested (1), it can be done well through external connectors or said sensor it can be permanently incorporated into it through fixed means (15) so that said apparatus can be monitored for a prolonged period.
Por último, en las figuras 7, 8a y 8b se muestra un ejemplo de realización práctica en donde aparecen dos espiras (7, 7'), situadas una a cada lado del conductor primario rectilíneo (8), en donde además se prevén medios de conexión (16) que permitan la conexión selectiva de sólo una de dichas espiras (7) como en la figura 8a, o bien de las dos (7, 7') como en la figura 8b, de cara a lograr más sensibilidad.Finally, figures 7, 8a and 8b show an example of practical realization where two turns appear (7, 7 '), located one on each side of the rectilinear primary conductor (8), where connection means (16) are also provided that allow the selective connection of only one of said turns (7) as in the Figure 8a, or both (7, 7 ') as in Figure 8b, facing achieve more sensitivity
Igualmente, en otras realizaciones prácticas de la invención, el número de espiras (7) puede duplicarse distribuyendo parejas de éstas en cada una de las capas de las que esté compuesta placa de circuito impreso (13) por la que se hace pasar el conductor primario rectilíneo (8).Likewise, in other practical embodiments of the invention, the number of turns (7) can be doubled distributing pairs of these in each of the layers of which It is composed of printed circuit board (13) by which it is made pass the rectilinear primary conductor (8).
Claims (17)
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| ES200801174A ES2340750B1 (en) | 2008-04-23 | 2008-04-23 | INDUCTIVE SENSOR WITH GALVANIC INSULATION FOR THE DETECTION AND MEASUREMENT OF HIGH FREQUENCY CURRENT PULSES. |
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2009
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Also Published As
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